5.2. Узгодження лінії з передавачем і приймачем

Якщо час розповсюдження електромагнітного поля через кабель стає порівняним з характерним часом передаваних сигналів, то кабель потрібно розглядати як довгу лінію з розподіленими параметрами. Швидкість розповсюдження електромагнітного поля в нім складає 60...75% від швидкості світла у вакуумі і залежить від діелектричної і магнітної проникності діелектрика кабелю, опору провідника і його конструктивних особливостей. При швидкості світла у вакуумі 300000 км/с для кабелю завдовжки 1000 м можна отримати швидкість розповсюдження електромагнітної хвилі в кабелі 200...225 км/с і час розповсюдження 5,6мкс.

Електромагнітна хвиля, досягаючи кінця кабелю, відбивається від нього і повертається до джерела сигналу, відбивається від джерела і знову проходить до кінця кабелю. Унаслідок втрат на нагрів провідника і діелектрика амплітуда хвилі в кінці кабелю завжди менша, ніж на початку. Для типових кабелів можна вважати, що тільки перші три цикли проходження хвилі істотно впливають на форму передаваного сигналу. Це дає загальну тривалість паразитних коливань на фронтах передаваних імпульсів, пов'язаних з віддзеркаленнями, близько 33,6мкс при довжині кабелю 1 км. Оскільки в приймальному вузлі універсальний трансівер (Universal Asynchronous Receive Transmit — UART) визначає логічний стан лінії в центрі імпульсу*, то мінімальна тривалість імпульсу, який ще можна розпізнати за допомогою UART, складає 33,6x2=67,2мкс. Оскільки при NRZ кодуванні мінімальна тривалість імпульсу дозволяє закодувати 1 біт інформації, то отримаємо максимальну швидкість передачі інформації, яку ще можна прийняти не дивлячись на наявність віддзеркалень, рівну 1/67,2мкс=14,9кбіт/с. Враховуючи, що реально умови передачі завжди гірше розрахункових, стандартну швидкість передачі 9600 біт/с приблизно можна вважати межею, на якій ще можна передати сигнал на відстань 1000м не дивлячись на наявність віддзеркалень від кінців лінії.

* У UART після появи переднього фронту стартового біта запускається лічильник, який відлічує час до середини біта і в цій крапці визначає значення імпульсу (одиниця або нуль). Для більшої достовірності розпізнавання і захисту від перешкод часто використовується метод голосування, коли вибираються три сусідні звіти на середині імпульсу і логічний стан лінії визначається шляхом голосування: якщо одиниць більше, вважається, що прийнята одиниця, інакше — нуль.

Розглянута ситуація погіршується із зростанням розузгодження між частотою синхронізації передавача і приймача, унаслідок якої момент прочитування сигналу виявляється зміщеним щодо центру імпульсу. Слід також враховувати, що на практиці не всі пристрої з інтерфейсом RS-485 використовують стандартний UART, що прочитує значення логічного стану посередині імпульсу.

При більшій швидкості передачі, наприклад 115200 біт/с, ширина передаваних імпульсів складає 4,3мкс, і їх неможливо відрізнити від імпульсів, викликаних віддзеркаленнями від кінців лінії. Використовуючи вищенаведені міркування, можна отримати, що при швидкості передачі 115200 біт/с максимальна довжина кабелю, при якій ще можна не враховувати віддзеркалення від кінців лінії, складає 60 м.

Для усунення віддзеркалень лінія повинна бути навантажена на опір, рівний хвильовому опору кабелю

де Ro, Lo, Go, Со — погонні опір, індуктивність, провідність і ємність кабелю відповідно, jω — комплексна колова частота. Як випливає з цієї формули, в кабелі без втрат хвилевий опір не залежить від частоти, при цьому прямокутний імпульс розповсюджується по лінії без спотворень. У лінії з втратами фронт імпульсу «розпливається» у міру збільшення відстані імпульсу від початку кабелю.

Відношення амплітуди напруги відбитого синусоїдального сигналу (відбитої хвилі) від кінця лінії до амплітуди сигналу, що прийшов до кінця лінії (падаючої хвилі) називається коефіцієнтом віддзеркалення по напрузі, який залежить від ступеня узгодженості хвилевих опорів лінії і навантаження:

де Rн — опір погоджуючого резистора, на кінці або на початку лінії (кабелю). Випадок Rн=Zo відповідає ідеальному узгодженню лінії, при якому віддзеркалення відсутні (Ки=0).

Для узгодження лінії використовують термінальні (кінцеві) резистори (рис. 5.3). Величину резистора вибирають залежно від хвилевого опору використовуваного кабелю. Для систем промислової автоматики використовуються кабелі з хвилевим опором від 100 до 150 Ом, проте кабелі, спроектовані спеціально для інтерфейсу RS-485, мають хвилевий опір 120 Ом. На такий же опір зазвичай розраховані мікросхеми трансіверів інтерфейсу RS 485. Тому опір термінального резистора вибирається рівним 120 Ом, потужність 0,25 Вт.

Резистори ставлять на двох протилежних кінцях кабелю. Поширеною помилкою є установка резистора на вході кожного приймача, підключеного до лінії, або на кінці кожного відведення від лінії, що перенавантажує стандартний передавач. Річ у тому, що два термінальні резистори в сумі дають 60 Ом і споживають струм 25 мА при напрузі на виході передавача 1,5 В; окрім цього, 32 приймачі із стандартним вхідним струмом 1 мА споживають від лінії 32 мА, при цьому загальне споживання струму від передавача складає 57 мА. Звичайно це значення близько до максимально допустимого струму навантаження стандартного передавача RS 485. Тому навантаження передавача додатковими резисторами може привести до його відключення засобами вбудованого автоматичного захисту від перевантаження.

Рис. 5.3. Застосування термінальних резисторів для узгодження лінії передачі

Другою причиною, яка забороняє використання резистора в будь-якому місці, окрім кінців лінії, є віддзеркалення сигналу від місця розташування резистора.

При розрахунку опору резистора, що погоджує, потрібно враховувати загальний опір всіх навантажень на кінці лінії. Наприклад, якщо до кінця лінії підключена шафа комплектної автоматики, в якій розташовано 30 модулів з портом RS-485, кожен з яких має вхідний опір 12 кОм, то загальний опір всіх модулів буде рівний 12 кОм/30 = 400 Ом. Тому для отримання опору навантаження лінії 120 Ом опір термінального резистора повинен бути рівним 171 Ом.

Відзначимо недолік застосування резисторів, що погоджують. При довжині кабелю 1 км його омічний опір (для типового стандартного кабелю) складе 97 Ом. За наявності резистора, що погоджує, 120 Ом утворюється резистивний дільник, який приблизно в 2 рази ослабляє сигнал, і погіршує відношення сигнал/шум на вході приймача. Тому при низьких швидкостях передачі (менше 9600 біт/с) і великому рівні перешкод термінальний резистор не покращує, а погіршує надійність передачі.

У промислових перетворювачах інтерфейсу RS-232 в RS-485 резистори, що погоджують, зазвичай вже встановлені усередині виробу і можуть відключатися мікроперемикачем (джампером). Тому перед застосуванням таких пристроїв необхідно перевірити, в якій позиції знаходиться перемикач.